Le haut-parleur flexible à film mince, mis au point par des chercheurs du MIT, ne pèse que 2 g, a une épaisseur de 120 microns et peut générer un son de haute qualité quelle que soit la surface sur laquelle le film est collé. Ces avantages en font un candidat prometteur pour les applications omniprésentes dans les scénarios industriels et commerciaux existants et émergents.
Han et al. ont développé un haut-parleur ultra-mince qui peut transformer n’importe quelle surface rigide en une source audio active de haute qualité. Crédit image : Felice Frankel.
Un haut-parleur typique que l’on trouve dans un casque ou un système audio utilise des entrées de courant électrique qui passent par une bobine de fil qui génère un champ magnétique, qui déplace une membrane de haut-parleur, qui déplace l’air au-dessus d’elle, qui produit le son que nous entendons.
En revanche, le nouveau haut-parleur simplifie la conception du haut-parleur en utilisant un film mince d’un matériau piézoélectrique façonné qui se déplace lorsqu’une tension est appliquée sur lui, ce qui déplace l’air au-dessus de lui et produit le son.
La plupart des haut-parleurs à couche mince sont conçus pour être autonomes car le film doit se plier librement pour produire du son. La fixation de ces haut-parleurs sur une surface empêcherait la vibration et entraverait leur capacité à générer du son.
Pour surmonter ce problème, le chercheur du MIT Vladimir Bulović et ses collègues ont repensé la conception d’un haut-parleur à couche mince.
Plutôt que de faire vibrer l’ensemble du matériau, leur conception repose sur de minuscules dômes sur une fine couche de matériau piézoélectrique qui vibrent chacun individuellement.
Ces dômes, qui ne font chacun que quelques largeurs de cheveux, sont entourés de couches d’espacement sur le dessus et le dessous du film qui les protègent de la surface de montage tout en leur permettant de vibrer librement.
Les mêmes couches d’espacement protègent les dômes de l’abrasion et des impacts lors des manipulations quotidiennes, ce qui renforce la durabilité du haut-parleur.
Pour construire le haut-parleur, les scientifiques ont utilisé un laser pour découper de minuscules trous dans une fine feuille de PET, un type de plastique léger.
Ils ont stratifié la face inférieure de cette couche de PET perforée avec un film très fin (aussi fin que 8 microns) de matériau piézoélectrique, appelé PVDF.
Ils ont ensuite appliqué un vide au-dessus des feuilles collées et une source de chaleur, à 80 degrés Celsius, en dessous d’elles.
Comme la couche de PVDF est très fine, la différence de pression créée par le vide et la source de chaleur l’a fait gonfler.
Le PVDF ne peut pas se frayer un chemin à travers la couche de PET, et de minuscules dômes font donc saillie dans les zones où ils ne sont pas bloqués par le PET. Ces protubérances s’alignent automatiquement avec les trous de la couche de PET.
L’équipe stratifie ensuite l’autre côté du PVDF avec une autre couche de PET pour servir d’espaceur entre les dômes et la surface de collage.
“C’est un processus très simple et direct”, a déclaré le Dr Jinchi Han, également du MIT.
“Il nous permettrait de produire ces haut-parleurs à haut débit si nous l’intégrons à un processus de rouleau à rouleau à l’avenir.”
“Cela signifie qu’il pourrait être fabriqué en grande quantité, comme du papier peint pour recouvrir les murs, les voitures ou l’intérieur des avions.”
Les dômes ont une hauteur de 15 microns, soit environ un sixième de l’épaisseur d’un cheveu humain, et ils ne se déplacent vers le haut et vers le bas que d’environ un demi-micron lorsqu’ils vibrent.
Chaque dôme est une unité de production de son unique, il faut donc des milliers de ces minuscules dômes vibrant ensemble pour produire un son audible.
Un avantage supplémentaire de ce processus de fabrication simple est son accordabilité – les auteurs peuvent changer la taille des trous dans le PET pour contrôler la taille des dômes.
Les dômes avec un plus grand rayon déplacent plus d’air et produisent plus de son, mais les dômes plus grands ont aussi une fréquence de résonance plus basse.
La fréquence de résonance est la fréquence à laquelle le dispositif fonctionne le plus efficacement, et une fréquence de résonance plus basse entraîne une distorsion audio.
Une fois que les chercheurs ont perfectionné la technique de fabrication, ils ont testé plusieurs tailles de dômes et épaisseurs de couches piézoélectriques différentes pour arriver à une combinaison optimale.
Ils ont testé leur haut-parleur à couche mince en le fixant sur un mur à 30 cm d’un microphone pour mesurer le niveau de pression acoustique, enregistré en décibels.
Lorsque 25 volts d’électricité passaient dans le dispositif à 1 kHz, le haut-parleur produisait un son de haute qualité à un niveau conversationnel de 66 décibels.
À 10 kHz, le niveau de pression sonore augmentait à 86 décibels, soit à peu près le même niveau sonore que la circulation urbaine.
L’appareil économe en énergie a seulementnécessite environ 100 milliwatts de puissance par mètre carré de surface d’enceinte.
En revanche, un haut-parleur domestique moyen peut consommer plus d’un watt pour générer une pression sonore similaire à une distance comparable.
“Parce que ce sont les minuscules dômes qui vibrent, plutôt que le film entier, le haut-parleur a une fréquence de résonance suffisamment élevée pour pouvoir être utilisé efficacement pour des applications à ultrasons, comme l’imagerie”, a déclaré le Dr Han.
L’imagerie par ultrasons utilise des ondes sonores de très haute fréquence pour produire des images, et des fréquences plus élevées donnent une meilleure résolution d’image.
“L’appareil pourrait également utiliser les ultrasons pour détecter l’endroit où se tient un être humain dans une pièce, comme le font les chauves-souris en utilisant l’écholocation, puis façonner les ondes sonores pour suivre la personne dans ses déplacements “, a déclaré le Dr Bulović.
Si les dômes vibrants du film mince sont recouverts d’une surface réfléchissante, ils pourraient être utilisés pour créer des motifs lumineux pour les futures technologies d’affichage.
Si elles sont immergées dans un liquide, les membranes vibrantes pourraient fournir une nouvelle méthode d’agitation des produits chimiques, permettant des techniques de traitement chimique qui pourraient utiliser moins d’énergie que les méthodes de traitement par lots importants.
“Nous avons la capacité de générer précisément un mouvement mécanique de l’air en activant une surface physique qui est évolutive”, a déclaré le Dr Bulović.
“Les options d’utilisation de cette technologie sont illimitées”.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans le IEEE Transactions of Industrial Electronics.
